Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão

Teoria Completa

E aiiiii galera!!! Tranquilo?

Vimos em seções anteriores que quando deformamos a frio um material introduzimos ou multiplicamos as discordâncias, ou seja, aumentamos a densidade de discordâncias. Esse mecanismo de endurecimento é conhecido como encruamento. Ao aumentarmos a quantidade de discordâncias aumentamos a energia total da estrutura cristalina e, consequentemente, aumentamos a energia interna total do material. As tensões armazenadas no interior da rede cristalina como emaranhados de discordâncias são conhecidas como tensões residuais.

É possível que as tensões residuais geradas pelo trabalho a frio, que às vezes são indesejáveis, sejam aliviadas?

Sim, isso é possível através de um tratamento térmico conhecido como recozimento!!!!!

O recozimento é um tratamento térmico (aquecimento) usado para eliminar, parcial ou totalmente, os efeitos do trabalho a frio (encruamento).

Existem três estágios no processo de recozimento: recuperação, recristalização e crescimento de grão.

O gráfico abaixo ilustra os três estágios do recozimento:

Recuperação

A microestrutura de um material encruado é composta por grãos deformados que contêm um grande número de discordâncias aglomeradas.

Ao aquecemos o material facilitamos a movimentação das lacunas (vacâncias). Estas, por sua vez, tendem a diminuir a energia da discordância, gerada pelo campo de tração, movimentando a discordância em relação ao seu plano de escorregamento. Essas movimentações geram campos de tensões que favorecem o empilhamento das discordâncias, conforme figura abaixo.

Ao se empilharem as discordâncias formam uma estrutura conhecida como sub-contorno de grão (subgrãos poligonizados).

A densidade de discordâncias, entretanto, permanece praticamente inalterada. Esse tratamento térmico ocorre em baixa temperatura e remove as tensões residuais causadas pelo encruamento sem causar alteração na densidade de discordâncias. Assim, as propriedades mecânicas do metal, na recuperação, permanecem praticamente inalteradas uma vez que a quantidade total de discordâncias não é diminuída durante a recuperação. Visto que as tensões residuais se reduzem ou mesmo eliminam-se quando as discordâncias são rearranjadas, a recuperação é frequentemente conhecida como recozimento de alívio de tensões. Além disso, a recuperação restaura a condutibilidade elétrica, por exemplo, em fios de cobre ou alumínio que foram fabricados por trefilação (uma barra metálica é tracionada, passando por uma fieira, para produzir arames e fios), sem perdas de propriedades mecânicas.

Por fim, a recuperação melhora, com frequência, a resistência à corrosão do material.

Recristalização

Como visto anteriormente, o aquecimento, de um material encruado, acima de certa temperatura irá favorecer uma rápida recuperação, que elimina as tensões residuais e leva à formação de uma estrutura de empilhamento de discordâncias (sub-contorno de grão). Em seguida, formam-se núcleos de pequenos novos grãos nos sub-contorno de grão, eliminando, assim, a maior parte das discordâncias.

Pelo fato do material recristalizado perdem uma grande quantidade de discordâncias, ele possui baixa resistência mecânica, porém alta ductilidade. A temperatura que surge uma microestrutura de novos grãos com baixa densidade de discordâncias é conhecida como temperatura de recristalização.

A temperatura de recristalização é a temperatura na qual os grãos da microestrutura encruada começam a se transformar em novos grãos equiaxiais e com baixa densidade de discordância. É importante enfatizar que a temperatura de recristalização não é fixa como a temperatura de fusão de um elemento puro, mas, influenciada pelas variáveis de processamento:

  • Quanto maior for a porcentagem de trabalho a frio (encruamento) menor será a temperatura de recristalização. Isso ocorre, pois grandes deformações plásticas deixam o material muito instável por causa do aumento do número de discordâncias e devido a esse aumento de energia a nucleação de grãos recristalizados é induzida.
  • Os metais puros recristalizam em temperaturas mais baixas que suas ligas, pois as impurezas que constitui a liga tende a segregar nos contornos de grãos. Assim, para que o grão cresça maior é a energia necessária para que os contornos de grão ultrapassem as impurezas segregadas neles.
  • Aumentar o tempo de recozimento diminui a temperatura de recristalização, visto que existe mais tempo disponível para a nucleação e crescimento dos novos grãos recristalizados.
  • Quanto menor o tamanho de grão inicial menor é a temperatura de recristalização, pois haverá mais locais onde os novos grãos nucleiam.

É de suma importância o conceito de temperatura de recristalização, uma vez que é a partir dela que se define trabalho a quente e trabalho a frio!!!!

Assim, se realizamos a deformação plástica em temperatura abaixo da temperatura de recristalização teremos um trabalho a frio (encruamento). Caso realizemos a mesma deformação plástica, porém, acima da temperatura de recristalização dizemos que é um trabalho a quente.

O trabalho a quente não promove o encruamento. Consequentemente, a quantidade de deformação plástica possível de ser realizada é praticamente ilimitada. Assim, o baixo limite de escoamento e a alta ductilidade é consequência da alta temperatura acima da temperatura de recristalização. Desse modo o metal irá recristalizar continuamente!!!

Crescimento de Grão

Em temperaturas ainda mais altas de recozimento, tanta a recuperação quanto à recristalização ocorrem rapidamente, produzindo estrutura fina de grãos recristalizados. Caso a temperatura for suficientemente alta, os grãos começam a crescer, com os maiores consumindo os menores. Esse fenômeno de crescimento de grão ocorre motivado pela redução da área de contorno de grãos, isto é, a fim de diminuir ainda mais a energia da estrutura os grãos crescem diminuindo área total de contornos de grãos.

O crescimento de grão é quase sempre indesejável, pois pior as propriedades mecânicas dos materiais. O crescimento de grão ocorrerá na maioria dos materiais encruados caso sejam submetidos à temperatura elevada. Logo, o crescimento de grão não dependerá da recristalização ou da recuperação para que o crescimento ocorra.

Para que o crescimento ocorra haverá uma mobilidade atômica, ou seja, átomos do grão menor irão migrar para o grão maior. Assim, quanto maior for a temperatura maior será a mobilidade dos átomos e, consequentemente, maior será o grão formado.

O esquema abaixo demostra que para um mesmo tempo de recozimento quanto maior a temperatura maior será o grão formado.

Vamos praticar?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Callister W.D. Ciência e Engenharia de Materiais. Sétima edição.

Cite sucintamente as diferenças entre os processos de recuperação e de recristalização.

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Passo 1

Tanto nos processos de recuperação quanto nos de recristalização há aumento da temperatura. Esse aumento de temperatura, na recuperação, facilita a movimentação de lacunas, que por sua vez, facilita a movimentação de discordâncias e a formação de empilhamentos de discordância. Portanto na recuperação não há diminuição da densidade de discordâncias, em consequência não há alteração das propriedades mecânicas. Há somente um diminuição da energia interna devido ao empilhamento. Já no processo de recristalização, há formação de novos grãos sem deformação e equiaxiais com redução da densidade de discordâncias, portanto ao recristalização temos um aumento da ductilidade do material e redução da resistência mecânica. A temperatura na qual essas formações ocorrem é conhecida como temperatura de recristalização.

Resposta

Exercício Resolvido #2

Callister W.D. Ciência e Engenharia de Materiais. Sétima edição.

Explique as diferenças nas estruturas de grão de um metal que foi trabalhado a frio e de um que foi trabalhado a frio e, então, recristalizado.

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Passo 1

Quando trabalharmos a frio um metal produzimos grãos deformados que contêm um grande número de discordâncias aglomeradas. Ao recristalizarmos esse material encruado produziremos grãos equiaxiais sem deformação e com baixa densidade de discordâncias.

Resposta

Exercício Resolvido #3

Callister W.D. Ciência e Engenharia de Materiais. Sétima edição.

Qual é a força motriz para a recristalização e para o crescimento de grão?

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Passo 1

A força motriz para a recristalização é a diferença na energia interna entre o material deformado e o material recristalizado. Já a força motriz para o crescimento de grão é a redução da área de contorno de grão, que é uma região de alta energia. Em ambos os casos há uma diminuição da energia interna final.

Resposta

Exercício Resolvido #4

CESGRANRIO Petrobras Transporte S.A - BR

Os processos de recristalização e de crescimento de grãos modificam a estrutura cristalina de um material. Nesse contexto, afirma-se corretamente que

  1. A força motriz para o crescimento de grão é o aumento na energia total associada aos contornos de grãos à medida que os grãos crescem.
  2. A recristalização é o processo de formação de um novo conjunto de grãos, livres de deformação e com alta densidade de discordâncias.
  3. A temperatura de recristalização independe da quantidade de trabalho a frio a que o material foi submetido anteriormente.
  4. As operações de deformação plástica a quente são realizadas a temperaturas ligeiramente abaixo da temperatura de recristalização.
  5. O crescimento de grão não precisa ser precedido por um processo de recristalização e pode ocorrer em todos os materiais policristalinos, tanto metais como cerâmicos.
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Passo 1

A força motriz para o crescimento de grão é o diminuição na energia total associada aos contornos de grãos à medida que os grãos crescem.

A recristalização é o processo de formação de um novo conjunto de grãos, livres de deformação e com baixa densidade de discordâncias.

A temperatura de recristalização depende da quantidade de trabalho a frio a que o material foi submetido anteriormente.

As operações de deformação plástica a quente são realizadas a temperaturas ligeiramente acima da temperatura de recristalização.

Resposta

Letra: E)

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Analise as afirmativas abaixa e marque as afirmativas corretas.

  1. Durante a etapa de recristalização ocorre a formação de novos grãos livres de deformação e equiaxiais que possuem menor densidade de discordâncias.
  2. A força motriz para o crescimento de grão é a diminuição da área de contorno de grão, que é uma região de alta energia.
  3. Durante a recuperação, a energia interna do material encruado é reduzida através da movimentação de discordâncias.
  4. A três etapas do recozimento são: recuperação, recristalização e crescimento de grão.
  1. Somente a afirmativa I está correta.
  2. Somente as afirmativas I e III estão corretas.
  3. Somente as afirmativas II e IV estão corretas.
  4. Somente as afirmativas I, III e IV estão corretas.
  5. Todas as afirmativas estão corretas.
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Passo 1

O recozimento é um tratamento térmico de três estapas: recuperação, nesta etapa a energia interna do material é reduzida devido à movimentação das discordâncias, através do empilhamento de discordâncias, porém a densidade de discordância nesta etapa permanence praticamente inalterada, por isso as propriedades mecânicas também, permanencem inalteradas, entretanto esse rearranjo das discordâncias restauram, por exemplo, condutibilidade elétrica; recristalização, nesta etapa há a formação de novos grãos equiaxiais sem deformação e com baixa densidade de discordâncias; por fim, segue a etapa de crescimento de grão é movido pela diminuição da área de contorno de grão. Assim, todas as afirmativas estão corretas.

Resposta

Letra: E)

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

O que é um trabalho a quente e como a temperatura influencia na deformação plástica?

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Passo 1

Trabalho a quente é todo trabalho que ocorre às temperaturas acima da temperatura de recristalização. Devido à temperatura estar acima da temperatura de recristalização, ele estará continuamente recristalizando. Isso faz com que a deformação plástica possível seja praticamente ilimitada. Assim, baixo limite de escoamento e alta ductilidade é consequência da alta temperatura acima da temperatura de recristalização.

Resposta

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Qual é a relação da temperatura com o diâmetro de grão no recozimento? Faça um esquema.

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Passo 1

Para um mesmo tempo, quanto maior a temperatura de recozimento, na etapa de crescimento de grão, maior será os diâmetros dos grãos formados. Isso pode ser explicado pois quanto maior for a temperatura maior será a mobilidade dos átomos e, consequentemente, maior será o grão formado.

Passo 2

Resposta

Exercício Resolvido #8

Elaboração própria

O recozimento é um tratamento térmico utilizado para eliminar, parcial ou total, os efeitos do trabalho a frio. Na etapa de crescimento de grão temos um diminuição da resistência e um aumenta da ductilidade. Qual tratamento térmico deverá ser utilizado para refinar o grão e como haverá aumento da resistência mecânica?

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Passo 1

O tratamento térmico utilizado para refinar grão é a normalização. Através da normalização conseguimos obter grãos menores, assim as discordâncias terão maior dificuldade de movimentar-se, por causa dos contornos de grão. Estes são barreiras para as discordâncias. Esse fato, faz com que o metal aumente sua resistência mecânica, além de aumentar a tenacidade, isto é, maior será a energia necessária para rompê-lo.

Resposta

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